AKANUMA, Satoshi

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Affiliation

Faculty of Human Sciences, School of Human Sciences

Job title

Professor

Homepage URL

http://www.f.waseda.jp/akanuma/index.html

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Concurrent Post 【 display / non-display 】

  • Faculty of Human Sciences   School of Human Sciences (Online Degree Program)

  • Faculty of Human Sciences   Graduate School of Human Sciences

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Degree 【 display / non-display 】

  • 東京工業大学   博士（理学）

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Research Experience 【 display / non-display 】

  • 2020.04
    -
    Now

    Waseda University   Faculty of Human Sciences

  • 2015.04
    -
    2020.03

    Waseda University Faculty of Human Sciences

  • 2007.04
    -
    2015.03

    Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences   School of Life Science

  • 2006.04
    -
    2007.03

    Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences   School of Life Science

  • 2005.04
    -
    2006.03

    食品総合研究所   特別研究員

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Professional Memberships 【 display / non-display 】

  • 　
    　
    　

    THE SOCIETY FOR THE STUDY OF THE ORIGIN AND EVOLUTION OF LIFE-JAPAN

  • 　
    　
    　

    THE JAPANESE BIOCHEMICAL SOCIETY

  • 　
    　
    　

    THE MOLECULAR BIOLOGY SOCIETY OF JAPAN

  • 　
    　
    　

    JAPAN GEOSCIENCE UNION

  • 　
    　
    　

    SOCIETY OF EVOLUTIONARY STUDIES, JAPAN

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Research Areas 【 display / non-display 】

  • Biophysics

  • Biofunction and bioprocess engineering

  • Evolutionary biology

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Research Interests 【 display / non-display 】

  • 祖先型再構成

  • 耐熱性酵素

  • 好熱菌

  • 生命の起源

  • 分子進化

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Papers 【 display / non-display 】

  • EXPERIMENTAL TEST OF PLAUSIBLE REDUCED AMINO ACID SETS IN PRIMORDIAL PROTEINS

    Satoshi Akanuma

    Viva Origino   48 ( 3 ) 4  2020.11  [Refereed]  [Invited]

    Authorship：Lead author, Last author, Corresponding author

  • Ancestral sequence reconstruction produces thermally stable enzymes with mesophilic enzyme-like catalytic properties.

    Ryutaro Furukawa, Wakako Toma, Koji Yamazaki, Satoshi Akanuma

    Scientific reports   10 ( 1 ) 15493 - 15493  2020.09  [International journal]

    　View Summary

    Enzymes have high catalytic efficiency and low environmental impact, and are therefore potentially useful tools for various industrial processes. Crucially, however, natural enzymes do not always have the properties required for specific processes. It may be necessary, therefore, to design, engineer, and evolve enzymes with properties that are not found in natural enzymes. In particular, the creation of enzymes that are thermally stable and catalytically active at low temperature is desirable for processes involving both high and low temperatures. In the current study, we designed two ancestral sequences of 3-isopropylmalate dehydrogenase by an ancestral sequence reconstruction technique based on a phylogenetic analysis of extant homologous amino acid sequences. Genes encoding the designed sequences were artificially synthesized and expressed in Escherichia coli. The reconstructed enzymes were found to be slightly more thermally stable than the extant thermophilic homologue from Thermus thermophilus. Moreover, they had considerably higher low-temperature catalytic activity as compared with the T. thermophilus enzyme. Detailed analyses of their temperature-dependent specific activities and kinetic properties showed that the reconstructed enzymes have catalytic properties similar to those of mesophilic homologues. Collectively, our study demonstrates that ancestral sequence reconstruction can produce a thermally stable enzyme with catalytic properties adapted to low-temperature reactions.

    DOI PubMed

  • Reconstruction and Characterization of Thermally Stable and Catalytically Active Proteins Comprising an Alphabet of ~ 13 Amino Acids.

    Madoka Kimura, Satoshi Akanuma

    Journal of molecular evolution   88 ( 4 ) 372 - 381  2020.05  [International journal]

    　View Summary

    While extant organisms synthesize proteins using approximately 20 kinds of genetically coded amino acids, the earliest protein synthesis system is likely to have been much simpler, utilizing a reduced set of amino acids. However, which types of building blocks were involved in primordial protein synthesis remains unclear. Herein, we reconstructed three convergent sequences of an ancestral nucleoside diphosphate kinase, each comprising a 10 amino acid "alphabet," and found that two of these variants folded into soluble and stable tertiary structures. Therefore, an alphabet consisting of 10 amino acids contains sufficient information for creating stable proteins. Furthermore, re-incorporation of a few more amino acid types into the active site of the 10 amino acid variants improved the catalytic activity, although the specific activity was not as high as that of extant proteins. Collectively, our results provide experimental support for the idea that robust protein scaffolds can be built with a subset of the current 20 amino acids that might have existed abundantly in the prebiotic environment, while the other amino acids, especially those with functional sidechains, evolved to contribute to efficient enzyme catalysis.

    DOI PubMed

  • Establishment of mesophilic-like catalytic properties in a thermophilic enzyme without affecting its thermal stability

    Satoshi Akanuma, Mizumo Bessho, Hikono Kimura, Ryutaro Furukawa, Shin ichi Yokobori, Akihiko Yamagishi

    Scientific Reports   9 ( 1 )  2019.12  [Refereed]

    　View Summary

    © 2019, The Author(s). Thermophilic enzymes are generally more thermally stable but are less active at moderate temperatures than are their mesophilic counterparts. Thermophilic enzymes with improved low-temperature activity that retain their high stability would serve as useful tools for industrial processes especially when robust biocatalysts are required. Here we show an effective way to explore amino acid substitutions that enhance the low-temperature catalytic activity of a thermophilic enzyme, based on a pairwise sequence comparison of thermophilic/mesophilic enzymes. One or a combination of amino acid(s) in 3-isopropylmalate dehydrogenase from the extreme thermophile Thermus thermophilus was/were substituted by a residue(s) found in the Escherichia coli enzyme at the same position(s). The best mutant, which contained three amino acid substitutions, showed a 17-fold higher specific activity at 25 °C compared to the original wild-type enzyme while retaining high thermal stability. The kinetic and thermodynamic parameters of the mutant showed similar patterns along the reaction coordinate to those of the mesophilic enzyme. We also analyzed the residues at the substitution sites from a structural and phylogenetic point of view.

    DOI PubMed

  • The Common Ancestor of All Modern Life

    Akanuma Satoshi

    Astrobiology：From the Origins of Life to the Search for Extraterrestrial Intelligence (eds. Yamagishi A, Kakegawa T, Usui T), Springer     91 - 103  2019.03  [Refereed]  [Invited]

    DOI

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Misc 【 display / non-display 】

  • 少数種アミノ酸で再構成されたタンパク質が示唆する前生物的アミノ酸の役割

    渋江怜, 笹本峻弘, 山岸明彦, 赤沼哲史

    日本蛋白質科学会年会プログラム・要旨集   18th   78  2018.05

    J-GLOBAL

  • 粗視化モデルを用いたスレリスリンとLARFHの結合過程の分子動力学シミュレーション

    小澤尚史, 山田寛尚, 山田寛尚, 宮川毅, 森河良太, 八木創太, 赤沼哲史, 山岸明彦, 高須昌子

    日本物理学会講演概要集(CD-ROM)   73 ( 1 ) ROMBUNNO.25aPS‐119  2018.03

    J-GLOBAL

  • Agaricus brasiliensis KA21冷水抽出高分子成分の免疫化学的解析

    田島克哉, 元井益郎, 元井章智, 赤沼哲史, 松本明子, 山中大輔, 石橋健一, 安達禎之, 大野尚仁

    日本薬学会年会要旨集(CD-ROM)   138th   ROMBUNNO.26PA‐pm152S  2018

    J-GLOBAL

  • Characterization of a thermostable mutant of Agaricus brasiliensis laccase created by phylogeny-based design

    Yuhi Hamuro, Katsuya Tajima, Akiko Matsumoto-Akanuma, Sayaka Sakamoto, Ryutaro Furukawa, Akihiko Yamagishi, Naohito Ohno, Satoshi Akanuma

    JOURNAL OF BIOSCIENCE AND BIOENGINEERING   124 ( 6 ) 623 - 629  2017.12

    　View Summary

    Laccases are enzymes that oxidize various aromatic compounds, and therefore they have attracted much attention from the standpoints of medical and industrial applications. We previously isolated the cDNA that codes for a laccase isozyme (Lac2a) from the medicinal mushroom Agaricus brasiliensis (Matsumoto-Akanuma et al., Int. J. Med. Mushrooms, 16, 375-393, 2014). In this study, we first attempted heterologous expression of the wild-type laccase using a Pichia pastoris secretory expression system. However, the trial was unsuccessful most likely because the enzyme was too unstable and degraded immediately after production. Therefore, we improved the stability of the laccase by using a phylogeny-based design method. We created a mutant laccase in which sixteen original residues were replaced with those found in the phylogenetically inferred ancestral sequence. The resulting mutant protein was successfully produced using the P. pastoris secretory expression system and then purified. The designed laccase showed catalytic properties similar to those of other fungal laccases. Moreover, the laccase is highly thermally stable at acidic and neutral pH and is also stable at alkaline pH at moderate temperatures. We expect that the laccase will serve as a useful tool for enzymatic polymerization of di-phenolic compounds. (C) 2017, The Society for Biotechnology, Japan. All rights reserved.

    DOI J-GLOBAL

  • Molecular dynamics simulation of binding process fiber proteins using coarse-grained model

    Ozawa Takashi, Yamada Hironao, Miyakawa Takeshi, Morikawa Ryota, Yagi Sota, Akanuma Satoshi, Yamagishi Akihiko, Takasu Masako

    Meeting Abstracts of the Physical Society of Japan   72 ( 0 ) 3272 - 3272  2017.09

    　View Summary

    <p>昨今、新たな機能を持ったタンパク質線維を人工的に生み出す試みがなされており、その中で人工タンパク質であるLARFHとスレリスリンという2種類のタンパク質を用いた、アミノ酸導入により結合面を設計したタンパク質線維化の研究が行われている。本研究ではその一環として、既に実験で試されている疎水性および正電荷のアミノ酸を導入したLARFH、疎水性および負電荷のアミノ酸を導入したスレリスリンの2種類のタンパク質が結合する際の挙動を、粗視化モデルを用いた分子動力学シミュレーションにより解析する。</p>

    CiNii J-GLOBAL

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Industrial Property Rights 【 display / non-display 】

  • 低温における酵素活性を向上させた好熱菌由来酵素の改変体の取得方法、及び低温における酵素活性が向上しているサーマス・サーモフィラス由来３－イソプロピルリンゴ酸脱水素酵素の改変体

    赤沼哲史, 木村彦乃, 山岸明彦, 八尾理文

    Patent

  • 白金結合剤、及びその利用

    山岸明彦, 赤沼哲史, 新納寛也, 内田達也, 秋山勇人, 八尾理文

    Patent

  • 単純化されたタンパク質の製造方法

    赤沼哲史, 木川隆則, 横山茂之

    Patent

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Awards 【 display / non-display 】

  • 第15回酵素応用シンポジウム研究奨励賞

    2014.06   天野エンザイム   進化情報に基づく酵素の耐熱化設計

    Winner： 赤沼 哲史

  • 2011 JB/OUP Poster Prize

    2011.10   Journal of Biochemistry/Oxford University Press  

    Winner： Akanuma Satoshi

  • Alexander von Humboldt Research Fellowship

    2001.03   Alexander von Humboldt Foundation  

    Winner： Akanuma Satoshi

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Research Projects 【 display / non-display 】

  • 初期翻訳系で使われたアミノ酸種類の時系列変化に関する研究

    Project Year :

    2017
    -
    2019
     

    赤沼 哲史

    Authorship： Principal investigator

  • タンパク質の起源に纏わる「鶏と卵のパラドックス」の解決による地球と宇宙での生命誕生場の推定

    Project Year :

    2018
    　
    　
     

    赤沼 哲史

    Authorship： Principal investigator

  • 冥王代生命学の創成 ・初期地球環境に相対的に多く存在したアミノ酸種を用いた原始的タンパク質の構築

    Project Year :

    2017
    -
    2018
     

    赤沼 哲史

    Authorship： Principal investigator

  • タンパク質を材料とした革新的繊維素材開発のための技術基盤の構築

    Project Year :

    2016
    -
    2018
     

    赤沼 哲史

    Authorship： Principal investigator

  • 冥王代生命学の創成 ・生命の誕生に必要となるアミノ酸情報量の実験による検証

    Project Year :

    2015
    -
    2016
     

    赤沼 哲史

    Authorship： Principal investigator

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Presentations 【 display / non-display 】

  • Protein engineering experiments to explore the evolution of early life

    Akanuma Satoshi  [Invited]

    New Frontier in Protein Design & Engineering 

    Presentation date： 2019.03

  • 11アミノ酸種だけを用いた活性を持つ酵素の再構成

    赤沼 哲史

    第44回生命の起原および進化学会学術講演会 

    Presentation date： 2019.03

  • アストロバイオロジーセンター・サテライト研究報告I

    赤沼 哲史

    アストロバイオロジーセンター・サテライト研究シンポジウム「深海底から宇宙へ、過去から未来へ、分子から社会へ」 

    Presentation date： 2019.01

  • Establishment of mesophilic-like catalytic property on a thermophilic enzyme without loss of thermostability

    Akanuma Satoshi

    The 70th Annual Meeting of the Society of Biotechnology of Japan 

    Presentation date： 2018.09

  • 原始地球上に比較的多く存在したと推定されるアミノ酸種のタンパク質合成における役割

    Akanuma Satoshi

    The 20th Annual Meeting of the Society of Evolutionary Studies, Japan 

    Presentation date： 2018.08

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Specific Research 【 display / non-display 】

  • 共通祖先から遡るタンパク質の起源：原始アミノ酸組成を持つリボソーム蛋⽩質の再構成

    2020  

    　View Summary

    生命の起源に関してはRNAワールド仮説が支持を得ており、次の重要な課題の一つが、現在の生物共通の機能分子であるタンパク質の起源である。生命誕生以前のタンパク質は環境中に存在したアミノ酸から合成されたはずである。原始地球模倣環境での放電実験や隕石の分析から、原始地球には、現在のタンパク質合成に使われる20種類のアミノ酸の約半数が存在した可能性が指摘された。本研究では、リボソームRNAとの結合活性を保持したリボソーム蛋白質を、原始地球に比較的豊富に存在したと推定された少数種類のアミノ酸から再構成可能か実験による検証をおこなった。

  • プレバイオティックアミノ酸によるRNA結合タンパク質の再構成

    2020  

    　View Summary

    生命の起源に関しては多くの証拠からRNAワールド仮説が有力視されている。一方、現存生物が共通して持つ機能生体高分子であるタンパク質がRNAワールドにどのように誕生し、RNAワールドがRNA-タンパク質ワールドにどのように拡張したかが次の課題である。本研究では、現存のすべての生物が持つ、RNAとタンパク質の複合体であり、タンパク質合成の場でもあるリボソームに着目した。共通祖先生物が持っていたと推定された祖先型リボソームタンパク質S7とS8を復元し、祖先型リボソームタンパク質の安定性解析と機能解析を実施した。

  • 原始アミノ酸だけによるRNA結合タンパク質の構築

    2019   古川龍太郎, 趙方正

    　View Summary

    生命の起源の解明に向けてRNAワールド仮説が支持を広げているが、次の課題となるのがRNAワールドにどのようにタンパク質が誕生したかである。本研究では、RNA結合タンパク質の代表例として、RNA機能に対して補助的ではあるが必須の役割を担っているリボソームタンパク質S7とS8を研究材料として選択し、原始地球環境に比較的豊富に存在したと推定されるアミノ酸種だけからS7とS8を再構成する試みを進めている。現在までに、進化系統解析と人工遺伝子合成により共通祖先型S7とS8を復元した。さらに、祖先型S7とS8から特定のアミノ酸種を欠損させたアミノ酸組成単純化型改変体の再構成もおこなっている。

  • 祖先タンパク質再構成による初期地球生物圏の環境pHの推定

    2018  

    　View Summary

    地球上で最初の生命が誕生した前後の初期地球における生物生息圏の環境pHついては、いくつかの議論があるものの、当時の地質学的情報が少ないため、未だに明確な知見は得られていない。本研究では、進化系統解析と遺伝子工学的手法によって復元した、全生物の共通祖先が持っていたと推測されるタンパク質の安定性のpH依存性を測定した。復元した全生物の共通祖先タンパク質は中性で最も安定であり、酸性とアルカリ性では安定性が大きく低下した。同様の傾向が、中性環境に生息する現存生物の複数のタンパク質でも見られた。以上の結果から、全生物の共通祖先は中性環境に生息していたと推定された。

  • 耐熱性と低温活性を両立した酵素の創成

    2017  

    　View Summary

    好熱菌酵素は優れた耐熱性を持つが、低温では活性が大幅に低下する。これまでの研究では、高度好熱菌Thermus thermophilus由来3-イソプロピルリンゴ酸脱水素酵素（IPMDH）のアミノ酸配列と、大腸菌由来IPMDHのアミノ酸配列を比較し、両者でアミノ酸が異なる部位に、常温菌IPMDHに見られるアミノ酸を好熱菌IPMDHにアミノ酸置換により導入した変異型酵素を作製した。今年度は、すでに作製された変異型酵素の詳細な触媒活性の解析をおこなった。その結果、わずか３アミノ酸置換によって、好熱菌酵素の高い耐熱性を損ねることなく、低温活性を常温菌酵素と同程度にまで改善できることを明らかにした。

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Syllabus 【 display / non-display 】

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